0  前言

    現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是設(shè)備的大型化，生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化。面對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)需求的多品種、小批量、高質(zhì)量和面向用戶(hù)，鋼鐵企業(yè)面臨日益嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了節(jié)能降耗，從20世紀(jì)80年代起，國(guó)外大型鋼鐵企業(yè)就致力于開(kāi)發(fā)煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)。在煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)中，優(yōu)化調(diào)度起著重要的作用。目前，針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)各個(gè)工序的優(yōu)化調(diào)度等方面的文獻(xiàn)比較多，但是關(guān)于煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)調(diào)度文獻(xiàn)還比較少。文獻(xiàn)[1、2]以鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)為背景綜述了鋼鐵生產(chǎn)工序管理和生產(chǎn)計(jì)劃方法及發(fā)展趨勢(shì)，文獻(xiàn)[1]指出了生產(chǎn)計(jì)劃是MES的核心功能，戰(zhàn)略管理一體化、多工序一體化和生產(chǎn)計(jì)劃綜合集成方法是今后發(fā)展的主要趨勢(shì)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)撫鋼的實(shí)際情況研究了一體化生產(chǎn)管理的問(wèn)題，著重研究了連鑄和連軋之間協(xié)調(diào)生產(chǎn)計(jì)劃的問(wèn)題，但并沒(méi)有從整個(gè)一體化生產(chǎn)的角度進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]基于一體化管理思想在已編制的煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度模型及軋制批量計(jì)劃的基礎(chǔ)上,建立了煉鋼-連鑄-熱軋一體化生產(chǎn)調(diào)度模型，研究了各工序生產(chǎn)計(jì)劃的排序問(wèn)題，但沒(méi)有考慮一體化的整體協(xié)調(diào)生產(chǎn)的問(wèn)題。

    本文針對(duì)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度管理，在已有對(duì)各工序生產(chǎn)計(jì)劃編制問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上，深入研究了煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃的編制問(wèn)題，建立了一個(gè)一體化生產(chǎn)計(jì)劃編制的模型體系。將一體化生產(chǎn)計(jì)劃的編制問(wèn)題分層、分塊處理，每一模塊都采用生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化模型來(lái)編制局部的生產(chǎn)計(jì)劃，一體化生產(chǎn)計(jì)劃的編制通過(guò)各功能模塊整體協(xié)作來(lái)完成，很好地解決了一體化生產(chǎn)計(jì)劃編制中的復(fù)雜問(wèn)題。

1  問(wèn)題描述

    煉鋼、連鑄、熱軋作為鋼鐵生產(chǎn)流程的三大關(guān)鍵工序，它們之間不僅存在物流和資源平衡問(wèn)題，還存在時(shí)間平衡問(wèn)題。對(duì)于一體化生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題，需要從輸入的用戶(hù)合同開(kāi)始，形成滿(mǎn)足用戶(hù)要求和各工序工藝約束的生產(chǎn)批量計(jì)劃來(lái)組織生產(chǎn)。煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。對(duì)于一體化生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題，需要根據(jù)用戶(hù)合同的要求，考慮各工序的工藝約束編制出煉鋼－連鑄的爐次計(jì)劃、澆次計(jì)劃、熱軋的軋制計(jì)劃和板坯庫(kù)的優(yōu)化管理計(jì)劃。

圖1 煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)工藝流程示意圖

    文獻(xiàn)[5]對(duì)煉鋼、連鑄和熱軋三個(gè)階段的生產(chǎn)約束進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,指出了問(wèn)題的特征。各個(gè)工序的生產(chǎn)工藝約束如下。

    對(duì)于煉鋼工序的爐次計(jì)劃,組成同一爐次的合同必須滿(mǎn)足以下條件: （1）鋼級(jí)(STEEL GRADE)相同；（2）板坯寬度相同；（3）軋制寬度≤板坯寬度≤軋制寬度+100 mm；（4）厚度相同；（5）交貨期接近；（6）95%爐容量≤板坯總重量≤100%爐容量。

    對(duì)于連鑄生產(chǎn)中的澆次計(jì)劃，組成同一澆次的爐次之間必須滿(mǎn)足如下條件: （1）鋼級(jí)的要求,不同爐次之間的鋼級(jí)差異在一定范圍內(nèi)；（2）爐次之間的板坯厚度一致；③板坯的寬度變化次數(shù)不允許超過(guò)一定數(shù)量；（4）如果不同寬度的爐次組成同一澆次,一般是按寬度非增順序排列,而且變化不能太大；（5）澆次中的爐次數(shù)受中間包壽命大小的影響；（6）爐次之間交貨期應(yīng)接近。

    對(duì)于熱軋生產(chǎn)線(xiàn)，由于考慮到軋輥的磨損，通常一個(gè)完整的軋制計(jì)劃的軋件寬度具有“烏龜殼”結(jié)構(gòu)，也叫“雙梯形”結(jié)構(gòu)，其中正梯形部分是燙輥材部分，數(shù)量相對(duì)較少，反梯形是主體材部分，是軋輥的主要生產(chǎn)階段，大量的軋制任務(wù)主要在此階段完成。

    對(duì)于燙輥材，一般有以下約束：（1）燙輥材的長(zhǎng)度有一定限制；（2）燙輥材的寬度漸增變化，變化范圍有限制；（3）開(kāi)始軋制時(shí)的板卷硬度不能太大；（4）硬度變化幅度要小；（5）厚度變化幅度要小，最好是非減方向變化。
對(duì)于主體材，一般有以下約束：（1）主體材長(zhǎng)度有一定限制；（2）主體材寬度非減方向變化，跳躍幅度要小，跳躍差一般不大于25 cm；(3)寬度反跳時(shí)，跳躍差一般不大于15 cm；(4)相同寬度板坯連續(xù)軋制不能超過(guò)一定長(zhǎng)度；(5)寬度、厚度、硬度不允許同時(shí)跳躍；(6)厚度變化要平穩(wěn)，不能反復(fù)跳躍，最好是非減方向變化；(7)硬度變化要平穩(wěn)，漸近遞增或漸近遞減均可，只是不能反復(fù)跳躍；(8)當(dāng)寬度、硬度、厚度三者發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)為硬度-厚度-寬度。

    煉鋼、連鑄和熱軋各個(gè)工序的工藝約束都不同，而一體化生產(chǎn)要求盡量采用熱裝方式軋制，也就是板坯熱送熱裝和保持在高溫狀態(tài)下進(jìn)行工序間的銜接，這就需要合理安排各個(gè)工序的生產(chǎn)計(jì)劃，盡力提高熱裝比。同時(shí)，為了保證生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率和充分發(fā)揮生產(chǎn)設(shè)備的能力，需要優(yōu)化板坯庫(kù)的管理來(lái)協(xié)調(diào)連鑄和熱軋之間生產(chǎn)能力的不匹配問(wèn)題。

2  模型體系結(jié)構(gòu)

2.1  體系的建立
    為了節(jié)能降耗，解決一體化生產(chǎn)中三大工序的能力不匹配和工藝約束矛盾問(wèn)題，編制出優(yōu)化的一體化生產(chǎn)計(jì)劃，提高熱裝比和保證生產(chǎn)設(shè)備能力的充分發(fā)揮，本文采用分層、分塊的處理方式，將一體化生產(chǎn)計(jì)劃編制的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題分解為5個(gè)局部?jī)?yōu)化問(wèn)題，建立了如圖2所示的一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系。當(dāng)前大部分鋼鐵企業(yè)都在按月生產(chǎn)，在接收到用戶(hù)的訂貨合同后，都要進(jìn)行質(zhì)量設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，將用戶(hù)合同歸并或拆分為生產(chǎn)合同，生產(chǎn)計(jì)劃制定的初始數(shù)據(jù)就是生產(chǎn)合同，煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)初始生產(chǎn)合同數(shù)據(jù)最終生成優(yōu)化的爐次作業(yè)計(jì)劃、澆次作業(yè)計(jì)劃、軋制作業(yè)計(jì)劃和為保證熱軋生產(chǎn)的板坯入庫(kù)、出庫(kù)計(jì)劃。本文將一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系分為合同計(jì)劃、煉鋼計(jì)劃、連鑄計(jì)劃、熱軋計(jì)劃和板坯庫(kù)計(jì)劃5個(gè)子系統(tǒng)部分，其中每個(gè)部分又包含有多個(gè)優(yōu)化模型來(lái)共同完成生產(chǎn)計(jì)劃的編制，各部分的功能描述如下所述。

圖2 煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系

圖3煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系信息傳遞示意圖

    煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系內(nèi)部的信息傳遞主要依靠各個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃的數(shù)據(jù)信息，其內(nèi)部信息交互方式如下：整個(gè)模型體系的初始數(shù)據(jù)是煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)的生產(chǎn)合同數(shù)據(jù)和各工序的計(jì)劃編制規(guī)程、約束等相關(guān)信息，首先由合同計(jì)劃子系統(tǒng)接收初始數(shù)據(jù)。合同計(jì)劃子系統(tǒng)主要就是將月生產(chǎn)合同數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，編制出相應(yīng)的煉鋼日計(jì)劃、連鑄日計(jì)劃和熱軋日計(jì)劃，其中需要考慮各工序之間產(chǎn)能上和生產(chǎn)順序上的約束，目的是為了一體化生產(chǎn)的連續(xù)性和盡可能高的熱送熱裝率。同時(shí)，為了保證一體化生產(chǎn)的高效直接軋制，模型體系要進(jìn)行一次循環(huán)，就是合同計(jì)劃子系統(tǒng)編制完煉鋼日計(jì)劃、連鑄日計(jì)劃、熱軋日計(jì)劃后，煉鋼子系統(tǒng)、連鑄子系統(tǒng)和熱軋子系統(tǒng)相應(yīng)的編制出爐次計(jì)劃、澆次計(jì)劃和軋制計(jì)劃，并反饋到合同計(jì)劃子系統(tǒng)。合同計(jì)劃子系統(tǒng)根據(jù)日計(jì)劃的反饋結(jié)果對(duì)編制好的煉鋼日計(jì)劃、連鑄日計(jì)劃、熱軋日計(jì)劃進(jìn)行修正，重新編制各工序的日計(jì)劃，作為最終執(zhí)行的煉鋼日計(jì)劃、連鑄日計(jì)劃、熱軋日計(jì)劃。

    在合同計(jì)劃子系統(tǒng)下發(fā)送煉鋼日計(jì)劃、連鑄日計(jì)劃、熱軋日計(jì)劃后，首先由熱軋子系統(tǒng)開(kāi)始編制生產(chǎn)計(jì)劃。熱軋子系統(tǒng)根據(jù)熱軋日計(jì)劃編制出相應(yīng)的軋制計(jì)劃序列，然后向煉鋼子系統(tǒng)、連鑄子系統(tǒng)和板坯庫(kù)優(yōu)化子系統(tǒng)傳遞。然后連鑄子系統(tǒng)根據(jù)連鑄日計(jì)劃，并考慮軋制計(jì)劃序列的板坯順序，編制出連鑄的澆次計(jì)劃，同時(shí)傳向煉鋼子系統(tǒng)。煉鋼子系統(tǒng)在接收到澆次計(jì)劃后，根據(jù)煉鋼日計(jì)劃，考慮澆次計(jì)劃的澆鑄約束，編制出相應(yīng)的爐次計(jì)劃。這樣，與日計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的爐次計(jì)劃、澆次計(jì)劃、軋制計(jì)劃就編制完成了，但是連鑄與熱軋之間的銜接需要板坯庫(kù)優(yōu)化子系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)。在連鑄熱軋的生產(chǎn)調(diào)度中，板坯庫(kù)優(yōu)化子系統(tǒng)接收到連鑄子系統(tǒng)根據(jù)澆次計(jì)劃編制的連鑄出坯時(shí)刻表和熱軋子系統(tǒng)根據(jù)軋制計(jì)劃編制的板坯需求時(shí)刻表后，對(duì)連鑄生產(chǎn)的板坯進(jìn)行分類(lèi)處理，對(duì)于能夠熱裝生產(chǎn)的板坯直接送入熱軋生產(chǎn)線(xiàn)，不能熱裝生產(chǎn)的板坯相應(yīng)的編制板坯入庫(kù)計(jì)劃，存放入合適的庫(kù)位和垛位。同時(shí)，板坯庫(kù)優(yōu)化子系統(tǒng)根據(jù)熱軋的板坯需求計(jì)劃的時(shí)刻表來(lái)供應(yīng)板坯，其中可以熱裝的板坯可以由連鑄坯直接供應(yīng)，不能熱裝的板坯需要由板坯庫(kù)中的板坯來(lái)供應(yīng)，這就需要板坯庫(kù)優(yōu)化子系統(tǒng)制定相應(yīng)的出庫(kù)計(jì)劃來(lái)選擇合適的板坯。

    這樣，煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系就完成一次一體化生產(chǎn)計(jì)劃的編制，形成最終日生產(chǎn)的爐次計(jì)劃、澆次計(jì)劃、軋制計(jì)劃和板坯庫(kù)的入庫(kù)計(jì)劃、出庫(kù)計(jì)劃，相應(yīng)的合同計(jì)劃子系統(tǒng)編制不同日期的日計(jì)劃，模型體系就可以編制不同日期的一體化日生產(chǎn)計(jì)劃。

3  一體化生產(chǎn)計(jì)劃編制流程

    煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃的編制是一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題，本文模型體系一體化生產(chǎn)計(jì)劃的編制流程如下。

    （1）合同計(jì)劃子系統(tǒng)接收月生產(chǎn)合同信息，利用準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化模型初步確定各生產(chǎn)合同的投產(chǎn)日期。
    （2）利用旬計(jì)劃優(yōu)化模型和半旬計(jì)劃優(yōu)化模型將月生產(chǎn)合同計(jì)劃分解到旬計(jì)劃，然后再將旬計(jì)劃分解到半旬計(jì)劃。
    （3）根據(jù)半旬生產(chǎn)計(jì)劃，綜合考慮煉鋼、連鑄和熱軋的生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能等情況，利用生產(chǎn)日計(jì)劃優(yōu)化模型制定出超出各工序生產(chǎn)能力一定范圍的煉鋼生產(chǎn)日計(jì)劃、連鑄生產(chǎn)日計(jì)劃和熱軋生產(chǎn)日計(jì)劃。
    （4）熱軋計(jì)劃子系統(tǒng)根據(jù)熱軋生產(chǎn)日計(jì)劃，結(jié)合機(jī)組的實(shí)際產(chǎn)能等信息，由板坯日計(jì)劃模型編制出熱軋的板坯日計(jì)劃，然后由板坯日計(jì)劃利用軋制計(jì)劃優(yōu)化模型編制出軋制計(jì)劃。
    （5）將軋制計(jì)劃向煉鋼計(jì)劃子系統(tǒng)和連鑄計(jì)劃子系統(tǒng)反饋，同時(shí)熱軋計(jì)劃子系統(tǒng)根據(jù)軋制計(jì)劃及時(shí)刻表編制出裝爐計(jì)劃和針對(duì)板坯庫(kù)的板坯需求計(jì)劃。
    （6）連鑄計(jì)劃子系統(tǒng)根據(jù)連鑄生產(chǎn)日計(jì)劃，綜合考慮軋制計(jì)劃和連鑄機(jī)組的信息，由連鑄日計(jì)劃優(yōu)化模型確定連鑄日計(jì)劃，并利用澆次計(jì)劃優(yōu)化模型編制出澆次計(jì)劃。
    （7）煉鋼計(jì)劃子系統(tǒng)根據(jù)煉鋼生產(chǎn)日計(jì)劃和熱軋生產(chǎn)軋制計(jì)劃，考慮煉鋼連鑄生產(chǎn)實(shí)際情況由煉鋼日計(jì)劃優(yōu)化模型確定最終的煉鋼日計(jì)劃，然后利用爐次優(yōu)化模型編制出爐次計(jì)劃。
    （8）板坯庫(kù)優(yōu)化子系統(tǒng)根據(jù)澆次計(jì)劃編制結(jié)果對(duì)連鑄出坯進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合裝爐計(jì)劃和板坯需求計(jì)劃信息對(duì)板坯進(jìn)行分類(lèi)處理，符合熱裝需要的編入熱裝計(jì)劃，需要入庫(kù)的板坯利用板坯入庫(kù)計(jì)劃模型編制出板坯入庫(kù)計(jì)劃。
    （9）板坯庫(kù)優(yōu)化子系統(tǒng)根據(jù)板坯需求計(jì)劃，考慮板坯庫(kù)存情況，編制出板坯出庫(kù)計(jì)劃以滿(mǎn)足熱軋生產(chǎn)需求。
    （10）將爐次計(jì)劃、澆次計(jì)劃和軋制計(jì)劃編制結(jié)果反饋合同計(jì)劃部分，綜合平衡之后確定新的生產(chǎn)日計(jì)劃，重復(fù)(3)~(9)確定最終的爐次作業(yè)計(jì)劃、澆次作業(yè)計(jì)劃和軋制作業(yè)計(jì)劃。同時(shí)，將一體化生產(chǎn)計(jì)劃結(jié)果向合同計(jì)劃部分反饋，滿(mǎn)足生產(chǎn)日計(jì)劃滾動(dòng)的數(shù)據(jù)需求。

5  結(jié)論

    本文針對(duì)煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)，在以往各工序生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上提出一種煉鋼－連鑄－熱軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系，在這種模型體系下多個(gè)局部?jī)?yōu)化系統(tǒng)多個(gè)模型協(xié)同運(yùn)作，解決了一體化生產(chǎn)計(jì)劃編制的整體優(yōu)化問(wèn)題。2004年10月經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用表明這種一體化生產(chǎn)計(jì)劃模型體系切實(shí)可行，可大大提高一體化生產(chǎn)調(diào)度的自動(dòng)化水平和板坯的熱裝比，節(jié)省生產(chǎn)調(diào)度的人力資源。

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